基于IEEE802.15.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的IPv6協(xié)議棧

摘要  基于TPv6 over IEEE802．15．4的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。其中，設(shè)計(jì)適合傳感器節(jié)點(diǎn)的嵌入式IPv6協(xié)議棧是一個(gè)關(guān)鍵。本文在分析了IEEE802．15．4和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)后，針對(duì)這些特點(diǎn)提出一種嵌入式IPv6協(xié)議棧的設(shè)計(jì)方案；并在本文的最后，總結(jié)了設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的關(guān)鍵因素。　

關(guān)鍵詞 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)IPv6協(xié)議棧 IEEE802．15．4 6LowPan 　

引 言　

    隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，Internet對(duì)人們生活方式的影響越來(lái)越巨大，并將繼續(xù)在未來(lái)的各領(lǐng)域持續(xù)發(fā)揮其影響力。集成了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)及傳感器技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將Internet從虛擬世界延伸到物理世界，從而將邏輯上的信息世界與真實(shí)物理世界融合在一起，改變了人與自然交互的方式，滿足了人們對(duì)“無(wú)處不在”的網(wǎng)絡(luò)的需求。2000年12月IEEE成立了IEEE802．15．4工作組，致力于定義一種供廉價(jià)、固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用的，復(fù)雜度、成本和功耗極低的低速率無(wú)線連接技術(shù)。產(chǎn)品的方便靈活、易于連接、實(shí)用可靠及可繼承延續(xù)是市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)力。一般認(rèn)為短距離的無(wú)線低功率通信技術(shù)最適合傳感器網(wǎng)絡(luò)使用，傳感器網(wǎng)絡(luò)是IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的主要市場(chǎng)對(duì)象。

    一方面，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有“無(wú)處不在”和節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大等特點(diǎn)，部署無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要數(shù)量巨大的IP地址資源；另一方面，由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域往往對(duì)安全性要求較高，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織的先天性缺乏應(yīng)有的安全機(jī)制。IPv6作為下一代網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有地址資源豐富、地址自動(dòng)配置、安全性高、移動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在地址和安全方面的需求。所以IETF于2004年11月成立了一個(gè)6LowPan(IPv6 overIEEE 802．15．4或IPv6 over LR_PAN)工作組。它規(guī)定了6LowPan技術(shù)在底層采取IEEE 802．15．4．MAC層以上采取IPv6協(xié)議棧，致力于如何將IPv6與IEEES02．15．4展開(kāi)，實(shí)現(xiàn)IPv6數(shù)據(jù)包在IEEE 802．15．4上的傳輸，研究基于IPv6 over IEEE802．15．4的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問(wèn)題。目前這方面研究成為了一個(gè)很活躍的方向。其中，通過(guò)分析無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)IPv6協(xié)議?；拘枨螅柚鷧f(xié)議工程學(xué)理論和軟件工程的方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)體積小，功能全、效率高，適用于IPv6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的嵌入式IPv6協(xié)議棧，已經(jīng)成為一個(gè)很關(guān)鍵的問(wèn)題。

    本文在分析了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和IPv6 overIEEE802．15．4的技術(shù)特點(diǎn)之后，重點(diǎn)提出了一種能夠適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，且底層采用IEEE802．15．4的嵌入式IPv6協(xié)議棧設(shè)計(jì)方案。最后，還總結(jié)了基于IPv6 overIEEE802．15．4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧設(shè)計(jì)的核心原則。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和IPV6 over IEEE 802．15．4的技術(shù)特點(diǎn)

1．1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量低功耗、低速率、低成本、高密度的微型節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)通過(guò)自我組織、自我愈合的方式組成網(wǎng)絡(luò)。圖1給出了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作原理，圖中分散的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式形成傳感器網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集周圍的相關(guān)信息，并采用多跳方式將這些信息通過(guò)Internet或其他網(wǎng)絡(luò)傳遞到遠(yuǎn)端的監(jiān)控設(shè)備。

　  無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由許多個(gè)功能相同或不同的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)組成。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集模塊(傳感器、A／D轉(zhuǎn)換器)、數(shù)據(jù)處理和控制模塊(微處理器、存儲(chǔ)器)、通信模塊(無(wú)線收發(fā)器)以及供電模塊(電池、DC/DC能量轉(zhuǎn)換器)等組成。節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中可以充當(dāng)數(shù)據(jù)采集著、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站或著簇頭節(jié)點(diǎn)(cluster-head node)的角色。作為數(shù)據(jù)采集者，數(shù)據(jù)采集模塊收集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)(如溫度和濕度)，通過(guò)通信路由協(xié)議直接或間接將數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)方基站(base station)或匯節(jié)點(diǎn)(sink node)；作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，節(jié)點(diǎn)除了完成采集任務(wù)外，還要接收鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)發(fā)給距離基站更近的鄰居節(jié)點(diǎn)或者直接轉(zhuǎn)發(fā)到基站或匯節(jié)點(diǎn)；作為簇頭節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集該類內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)融合后，發(fā)送到基站或匯節(jié)點(diǎn)。與傳統(tǒng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)相比，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有一些明顯的特征：①網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度高，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，單位面積所擁有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)；②傳感器節(jié)點(diǎn)由電池供電，節(jié)點(diǎn)能量有限；③網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁；④網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備容錯(cuò)能力。正是由于以上特點(diǎn)．IPv6與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合對(duì)IPv6提出了一些新的要求，如IPv6地址自動(dòng)分配機(jī)制和IPv6包頭壓縮機(jī)制；另外，還有一些管理問(wèn)題、與無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路層接口問(wèn)題等。因此，設(shè)計(jì)IPv6微型協(xié)議棧時(shí)，除了要實(shí)現(xiàn)功能完整、高效實(shí)用、占用的存儲(chǔ)資源少以外，如上所述的一些新要求也應(yīng)考慮進(jìn)來(lái)。

1.2 IPv6 over IEE 802 15．4的技術(shù)特點(diǎn)

    IEEE 802．15．4是2004年提出的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的安全網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要定義物理層和MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用場(chǎng)合是讀表自動(dòng)化、自動(dòng)化控制和傳惑器網(wǎng)絡(luò)。IEE802．15．4針對(duì)的就是低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的短距離網(wǎng)絡(luò)，目標(biāo)是將普通小型電池的使用壽命延長(zhǎng)到幾年。當(dāng)芯片批量生產(chǎn)時(shí)，每個(gè)802．15．4設(shè)備的銷售價(jià)格最終不到3美元，將很好地滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求。IEEE802．15．4定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，即2．4GHz物理層和868／9l5MHz物理層。這兩個(gè)物理層都基于直接序列擴(kuò)額DSSS(Direct SequenceSpread Spectrum)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式；區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長(zhǎng)度和傳輸速率。2．4 GHz波段為全球統(tǒng)一、無(wú)須申請(qǐng)的ISM頻段．有助于15．4設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。2.4GHz的物理屢通過(guò)采用高階調(diào)制技術(shù)能夠提供250kb／s的傳輸遵率，有助于獲得更高的吞吐量、更短的通信時(shí)延和工作周期，從而更加省電。868 MHz是歐洲的ISM頻段，915MHz是美國(guó)的ISM頻段，這兩個(gè)頻段的引入避免了2．4GHz附近各種無(wú)線通信設(shè)備的相互干擾。868MHz的傳輸速率為20kb／s，915 MHz是40 kb/s。由于這兩個(gè)頻段上無(wú)線信號(hào)傳播損耗較低，因此可以降低對(duì)接收機(jī)靈敏度的要求，獲得較遠(yuǎn)的有效通信距離，從而可以用較少的設(shè)備覆蓋給定的隈域，這些特點(diǎn)使其非常符臺(tái)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用要求。如前所述，IEEE802．15．4只規(guī)定了物理層和MAC層，并且其市場(chǎng)目標(biāo)主要是無(wú)竣傳感器網(wǎng)絡(luò)，所以在選擇網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，考慮到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)地址和安全性等方面的要求，以及下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議1Pv6的不斷發(fā)展和完善，在嵌入式設(shè)備中引入IPv6協(xié)議也將成為一種必然趨勢(shì)。因此，6LowPan組織建議采取如圖2所示的嵌入式IPv6協(xié)議棧，在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮資源受限與功能相對(duì)完善之間的折中。

2 嵌入式IPv6協(xié)議棧的設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式IPv6協(xié)議棧的設(shè)計(jì)思想

    由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般都是嵌入式設(shè)備，所以嵌入式IPv6協(xié)議棧的設(shè)計(jì)主要應(yīng)突出“微型化”的思想。TCP／TP協(xié)議最先是在Uuix系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn)的，由于嵌入式系統(tǒng)與PC機(jī)的差別很大，在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議與在操作系統(tǒng)巾的實(shí)現(xiàn)有很大不同，所以這是設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)。嵌入式系統(tǒng)的IPv6微型協(xié)議棧，直接面對(duì)硬件，沒(méi)有一個(gè)多任務(wù)操作系統(tǒng)平臺(tái)；MCU中的程序結(jié)構(gòu)一般是順序執(zhí)行和硬件中斷相配合的方式，與高級(jí)操作系統(tǒng)中多線程并發(fā)執(zhí)行的方式截然不同。因?yàn)閱纹瑱C(jī)上系統(tǒng)的各種資源是有限的，例如CPU的處理速度、字長(zhǎng)，RAM、ROM存儲(chǔ)器的容量以及接口的數(shù)量等與通用計(jì)算機(jī)相比有很大差距，所以如何使協(xié)議棧做到精細(xì)、通信可靠、功能相對(duì)完善，而且又能發(fā)揮單片機(jī)的特點(diǎn)成為IPv6微型協(xié)議棧設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題?！拔⑿突彼枷胫饕w現(xiàn)在設(shè)計(jì)方案核心應(yīng)著眼于設(shè)計(jì)體積小，但又不影響運(yùn)行的協(xié)議棧，所以要對(duì)協(xié)議棧的裁剪方面進(jìn)行深入研究，去掉不必要的組件、傳統(tǒng)的復(fù)雜調(diào)度機(jī)制和額外的擴(kuò)展功能，甚至可以去除操作系統(tǒng)等。

    綜合研究以上多方面因素，提出了能夠適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的嵌入式IPv6微型協(xié)議棧的設(shè)計(jì)要求。

    ①協(xié)議棧運(yùn)行于單片機(jī)系統(tǒng)上，具有較強(qiáng)的兼容性。可以在以太網(wǎng)上正確運(yùn)行，同時(shí)在此基礎(chǔ)上可以借助IEEE802．15．4 MAC的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能來(lái)傳送數(shù)據(jù)包。
    ②實(shí)現(xiàn)IPv6基本協(xié)議棧核心協(xié)議的最基本功能、包括IPv6基本描述協(xié)議、ND(鄰居發(fā)現(xiàn))協(xié)議、ICMPv6(因特網(wǎng)控制報(bào)文)協(xié)議和IPv6地址的自動(dòng)配置協(xié)議等。
    ◆IPv6基本描述協(xié)議：IPv6數(shù)據(jù)包的發(fā)送、接收、處理等基本功能。
    ◆ND(鄰居發(fā)現(xiàn))協(xié)議：鄰居發(fā)現(xiàn)的地址解析功能，實(shí)現(xiàn)鄰居請(qǐng)求和鄰居通告。
    ◆ICMPv6(因特網(wǎng)控制報(bào)文)協(xié)議：主要實(shí)現(xiàn)控制報(bào)文的消息處理，以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)診斷功能的回應(yīng)請(qǐng)求和回應(yīng)答復(fù)。
    ◆IPv6地址自動(dòng)配置協(xié)議：根據(jù)IPv6地址格式的要求，主要實(shí)現(xiàn)IPv6鏈路本地地址的配置和請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)多播地址的配置。
    ③利用對(duì)校驗(yàn)和字段的汁算與處理來(lái)提高ICMPv6、TCP等協(xié)議運(yùn)行的正確性。
    ④實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的應(yīng)用層協(xié)議(如TELNET/SNMP協(xié)議)，利用遠(yuǎn)程終端可以登錄到運(yùn)行嵌入式IPv6協(xié)議棧的單片機(jī)系統(tǒng)，以及進(jìn)行簡(jiǎn)單的控制和管理操作。

2．2 嵌入式IPv6協(xié)議棧的分層與模塊化設(shè)計(jì)

    嵌入式IPv6協(xié)議棧采用分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行沒(méi)計(jì)，將整個(gè)協(xié)議棧(包括TCP及上層應(yīng)用)分為4個(gè)層次：事件觸發(fā)接口層、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層、NIC網(wǎng)絡(luò)接口核心層和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口層。

    圖3是對(duì)整個(gè)協(xié)議棧的分層描述，在協(xié)議棧的工作過(guò)程中使用上層調(diào)用相鄰層的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

    各層的功能簡(jiǎn)述如下：
    ①事件觸發(fā)接口層。該層對(duì)應(yīng)于TCP/IP模型的應(yīng)用層協(xié)議(OSI模型的高層協(xié)議)，主要功能是定義網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的格式以及網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。
    ②TCP／IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層。該層對(duì)應(yīng)于TCP／IP模型的傳輸層協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議(OSI模型的3、4兩層)，主要功能是定義數(shù)據(jù)如何傳輸?shù)侥康牡氐?。使用TCP協(xié)議在兩臺(tái)主機(jī)之間建立端到端的連接，保證可靠的傳輸；IP協(xié)議進(jìn)行路由選擇和基于IP的尋址。
    ③NIC網(wǎng)絡(luò)接口核心層。該層是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口的關(guān)鍵部位，其上層是具體的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，下層是驅(qū)動(dòng)程序。它為上層提供統(tǒng)一的發(fā)送接口，屏蔽各種各樣的物理介質(zhì)；同時(shí)負(fù)責(zé)把來(lái)自下層的包向合適的協(xié)議發(fā)送。
    ④網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口層。該層是分層結(jié)構(gòu)的最底層，其主要功能是控制具體物理介質(zhì)，從物理介質(zhì)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，并對(duì)物理介質(zhì)進(jìn)行諸如最大數(shù)據(jù)包之類的各種設(shè)置。

    結(jié)合對(duì)嵌入式IPv6協(xié)議棧設(shè)計(jì)要求和分層結(jié)構(gòu)的全面分析，將設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)劃分為4個(gè)模塊，如圖4所示。

    各模塊的功能簡(jiǎn)述如下：
    ①網(wǎng)絡(luò)接口核心模塊。該模塊為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供統(tǒng)一的發(fā)送接口，屏蔽各種各樣的物理介質(zhì)；同時(shí)負(fù)責(zé)把來(lái)自下層的包向合適的協(xié)議配送。
    ②事件接口模塊。嵌入式IPv6協(xié)議棧沒(méi)有采用BSD套接口，而是采用了事件驅(qū)動(dòng)接口。當(dāng)特定TCP/IP事件發(fā)生時(shí)，將調(diào)用應(yīng)用程序；而當(dāng)應(yīng)用程序產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)時(shí)，也通過(guò)此接口發(fā)送出去。
    ③SNMP網(wǎng)管模塊。該模塊負(fù)責(zé)獲取IPv6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)MIB信息。
    ④配置最示調(diào)試命令模塊。該模塊用于提供用戶配置和調(diào)試的界面，包括配置IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)和MAC地址等。在程序正常運(yùn)行前，由超級(jí)終端進(jìn)入配置模式，由用戶進(jìn)行配置管理。

結(jié)語(yǔ)

    基于IPv6 over IEEE802．15．4的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門新興的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，人們對(duì)它的研究尚處于起步階段。本文針對(duì)基于IPv6 over IEEE802．15．4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身特點(diǎn)，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)嵌入式IPv6協(xié)議棧進(jìn)行了分析。筆者認(rèn)為，現(xiàn)有的IPv6協(xié)議棧雖然在功能、性能等方面具有很大優(yōu)勢(shì)，但由于代碼體積較大(幾MB～幾百M(fèi)B)，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)資源只有不到200KB，因而無(wú)法運(yùn)行在計(jì)算能力和存儲(chǔ)資源受限的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中。所以在設(shè)計(jì)適合傳感器節(jié)點(diǎn)的嵌入式IPv6協(xié)議棧時(shí)，應(yīng)充分分析和研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)IPv6提出的新要求，考慮在性能和資源之間尋找一個(gè)折中的方案，充分運(yùn)用協(xié)議工程學(xué)理論和軟件工程的方法，設(shè)計(jì)一種合理、高效的嵌入式IPv6微型協(xié)議棧。這對(duì)推動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和IPv6的發(fā)展，以及改變?nèi)藗兊纳詈蜕献鞣绞?，具有十分重要的意義。